Тяжелые металлы
Среди многих негативных последствий хозяйственной деятельности человека особое место занимает загрязнение окружающей среды тяжелыми металлами. Многие тяжелые металлы являются чрезвычайно токсичными даже в следовых количествах. Они способны концентрироваться в живых организмах, вызывая при этом различные патологии развития. В отличие от органических веществ, подвергающихся процессам разложения, металлы способны лишь перераспределяться между природными средами.
Роль тяжелых металлов двойственна: с одной стороны, они необходимы для нормального протекания физиологических процессов, являясь катализаторами многих реакций; с другой стороны, металлы токсичны при повышенных концентрациях. Наибольшую опасность для человека и живой природы представляют подвижные формы металлов, поскольку они характеризуются высокой биологической активностью.
Способность тяжелых металлов катализировать многие органические и неорганические реакции является одной из главных характеристик данного класса соединений. Многие тяжелые металлы легко соединяются с биомолекулами (например, с белками, пептидами, липидами, аминокислотами), образуя комплексные соединения. Именно через реакции комплексообразования с тяжелыми металлами протекают все основные процессы в живых организмах. По чувствительности живых организмов к тяжелым металлам их можно расположить в ряд: Hg>Cu>Zn>Ni>Pb>Cd>Cr>Sn>Fe>Mn>Al.
Тяжелые металлы проявляют широкое токсическое действие. Причем механизм воздействия индивидуален для каждого металла и обусловлен конкурирующими реакциями между необходимыми и токсичными металлами за места связывания в белковых молекулах. Основные биогеохимические свойства тяжелых металлов представлены в табл. 7.
Таблица 7
Биогеохимические свойства тяжелых металлов
| Свойства | Co | Ni | Cu | Zn | Cd | Hg | Pb |
| Биохимическая активность | В | В | В | В | В | В | В |
| Токсичность | У | У | У | У | В | В | В |
| Канцерогенность | В | В | В | В | В | В | В |
| Обогащение глобальных аэрозолей | Н | Н | В | В | В | В | В |
| Минеральная форма распространения | В | Н | Н | Н | В | В | В |
| Органическая форма распространения | Н | Н | У | У | В | В | В |
| Подвижность | Н | Н | У | У | В | В | В |
| Тенденция к биоконцентрированию | В | В | У | У | В | В | В |
| Эффективность к накоплению | У | У | В | В | В | В | В |
| Комплексообразующая способность | Н | Н | В | В | У | У | Н |
| Склонность к гидролизу | Н | У | В | В | У | У | У |
| Растворимость | Н | Н | В | В | В | В | В |
| Время жизни | В | В | В | В | Н | Н | Н |
В – высокая, У – умеренная, Н – низкая.
Поступление тяжелых металлов в окружающую среду имеет как естественное, так и техногенное происхождение. Главными антропогенными источниками поступления тяжелых металлов в атмосферу являются предприятия цветной металлургии, нефтепереработки, химическая промышленность и автомобильный транспорт. В атмосферном воздухе тяжелые металлы присутствуют в форме органических и неорганических соединений в виде пыли и аэрозолей, а ртуть – в основном в элементарном состоянии. Находящиеся в воздухе металлы и их соединения вымываются атмосферными осадками или оседают естественным путем на поверхности почв и растений.
В водных средах тяжелые металлы могут присутствовать в виде коллоидных или взвешенных частиц, а также в растворенном состоянии в виде свободных ионов или комплексных соединений. В водные среды металлы попадают с атмосферными осадками, за счет вымывания из почв (естественные процессы), а также вместе со сточными водами предприятий и ливневой канализации. Формы миграции тяжелых металлов в природных подземных и поверхностных водах определяются геохимическим типом вод, а также их кислотно-щелочными характеристиками. В кислых и нейтральных водах металлы присутствуют в основном в виде акватированных ионов, в щелочных – в виде гидроксокомплексов, карбонатов, органических комплексов.
Уровни содержания тяжелых металлов в почвах зависят от окислительно-восстановительных и кислотно-основных свойств. Обычно с увеличением кислотности почвы подвижность тяжелых металлов возрастает. Металлы в почвах присутствуют в водорастворимой, ионообменной и адсорбированной формах. Водорастворимые формы представлены, как правило, нитратами, хлоридами, сульфатами и органическими комплексами.
Основной источник поступления тяжелых металлов в организм человека – пища, при этом наибольший вклад вносит потребление в пищу растений, выращиваемых на полях вблизи промышленных предприятий и автотрасс. Токсичность тяжелых металлов проявляется в значительной степени на кислых почвах и реже на нейтральных и щелочных.